近年來我國汽車行業飛速發展，每年都以幾百萬輛的速度遞增，可是隨著汽車的日益增多，城市智能交通，車輛管理表現出相對滯后的現象，如道路堵塞，交通事故，車輛被盜，這些已成為一個嚴重的社會問題。因此對于機動性強，數量眾多的汽車進行有效監控，緊急救援和提供各種信息服務的需求越來越多。同時隨著導航應用技術的飛速發展和通訊技術的不斷提高，全球定位(GPS)系統與無線通信技術的發展使得對移動載體進行實時定位和遠程監控調度成為可能，使人們能對移動載體進行全方位、全天候、實時地監控調度。目前，在車載終端多采用通過GSM短信方式實現與監控中心傳輸GPS定位信息的方案。此方案存在傳送時間不確定，信道容量有限和可擴展性差的缺點，而對于GPS定位數據的漂移處理上，多數產品未能采取有效而實用的算法，在監控中心的上位機軟件多數研究與開發還是基于組件式GIS的C/S模式，需要用戶安裝客戶端軟件方可使用，且必須定期更換地圖信息源文件才能保證地理信息的準確，因此，本文嘗試結合GPS、GPRS、WebGIS技術的各自優勢，來設計智能車輛管理系統。

1系統組成

從整個系統設計來看，可以分為車載單元、GPRS無線網絡和監控中心3部分組成。車載單元主要包括語音設備、無線傳輸終端、GPS衛星定位終端、指紋識別模塊和電源設備等，主要完成現場數據的采集、編碼、打包與傳輸、語音通信和車輛工況參數采集、GPS定位等功能。GPRS無線網絡是基于移動公司的GPRS移動通信公眾網，包括MSC基站控制器、SGSN業務支撐節點和GGSN網關支撐節。監控中心包括Web服務器、數據庫服務器，主要負責與車載單元及客戶端的連接及數據交換，監控中心采用專線、寬帶網連接Internet，并配置公網固定IP地址。對無特殊需要的用戶，監控中心可統一設在設備提供商的機房，以減少硬件的投入，Web服務器可實現無線傳輸終端的錄入管理，車輛、用戶信息的維護，具有Web及Wap頁面的發布功能，并負責媒體數據流的分發管理，監控人員可通過瀏覽器登陸Web服務器進入系統，進行實時監視和操控車載終端。整體系統結構如圖1所示。

圖1系統總體結構

車載衛星定位系統的數據流程，首先由車載系統設備上的GPS衛星接收模塊采集到GPS衛星數據，經單片機進行導航數據處理，如果是無效數據則丟棄數據，如果是有效數據，則提取出有效的定位數據得到汽車的地理坐標信息，該信息經車載系統處理后，由GPRS無線通信模塊發送到GPRS無線通信網上。GPRS網絡根據相應的協議在車載系統和接入Internet的監控中心之間建立一條支持TCP/IP的數據通道。監控中心把通過這條數據通道傳送來的車輛位置數據經數據庫和GIS技術顯示在電子地圖上，監控中心還可通過該通道向下發送控制命令和服務信息。因此，除車輛定位外，系統還可提供如調度、監控、緊急求助及移動電話等多種服務。

2硬件設計

整個系統的硬件由處理器芯片、存儲器、GPS、GPRS、指紋、語音等模塊組成，如圖2所示。

圖2硬件系統圖

主控處理芯片選用ST公司的STM32F103VC單片機，其采用ARMCortex‐M3內核。內部數據路徑、寄存器、存儲器接口都是32位，Cortex‐M3采用了哈佛結構，擁有獨立的指令總線和數據總線，可以讓取指與數據訪問并行不悖。這樣一來數據訪問不再占用指令總線，從而提升了性。GPRS模塊采用SIMCom公司的SIM900A模塊，其內置了TCP/IP和PPP協議，不需要移植TCP/IP協議就可以利用GPRS服務與終端建立連接、傳輸數據。GPS接收模塊采用GlobalSat公司的EB-3631CX模塊，此模塊上電完成初始自檢后，自動接收來自天線的GPS射頻信號，經變頻、放大、相關、混頻等一系列處理后，完成并行通道對其視界內幾何位置最佳的數顆衛星的連續跟蹤，并測出信號從衛星到接收天線的傳播時間，解譯出GPS衛星所發送的導航電文。導航電文選取GPRMC格式，其格式下包含較全的GPS信息，最后經由串口輸出緯度、經度、速度、時間、方向等定位信息到單片機。指紋模塊采用深圳指昂公司的的ZAZ-010-B系列指紋識別模塊，模塊輸出為TTL電平，要與單片機的串口相連接需要增加電平轉換電路，這里我們選用了MAX232電路。

語音部分選用PWM語音播放方式，普通的語音播放一般采用D/A的方式來還原模擬語音信號，這就要求D/A有比較高的處理位數，必然會增加成本，PWM方式實現簡單，語音質量也有較好的保證。以25KA/D采樣速率采樣語音數據，將采集的數據存于Flash存儲器中（Flash采用了SST公司生產的SST25VF016B，帶有2MByte的容量，以25K采樣速率時錄音時間達到80秒）。PWM波是由諧波和直流量合成，諧波是需要被濾除的信號，即通過模擬低通濾波器可以將調制后的PWM信號轉換成模擬信號，濾波器可以消除大部分高頻成分，最后只留下了直流量，達到還原模擬信號的目的。GPS模塊、GPRS模塊和指紋模塊均采用串行通信方式實現與單片機的通信，數據傳輸控制簡單可靠，覆蓋范圍廣，實時性強。

3車載移動單元的軟件設計

3.1μC/OS-Ⅱ操作系統

實時操作系統選用μC/OS-Ⅱ，它是一個免費的源代碼公開的系統，提供了實時操作系統所需的基本功能。μC/OS-Ⅱ內核包含了任務調度、任務管理、時間管理、內存管理和任務間的通信與同步等基本功能。可以針對不同的硬件優化代碼，去掉不需要的變量和不使用的函數，我們所用的實時操作系統需要向下負責管理硬件系統提供的各種資源，向上為各個層次協議軟件提供數據通信接口，共享信息以及進程管理等。

3.2系統初始化程序的實現

軟件系統初始化首先要定義入口指針，使整個應用程序只有一個入口指針，微處理器復位以后，PC指針將指向設定地址。然后設置各中斷的優先級以及開放啟動中斷。系統初始化時需要設置一張中斷向量表，對應各中斷向量入口。在控制器訪問外部設備之前，需要設置各個外設地址空間，最后完成各串口所連接外設的初始化。

3.3GPS信號定位處理

GPS模塊在運行時不斷接收來自衛星的星歷參數和時間信息，經過所帶算法計算求出模塊自身的三維位置、方向以及運動速度和時間信息等。我們在應用軟件開發時，不需要再考慮如何來提高GPS定位信息精度，因為我們是從GPS模塊處接收的數據，這個數據已經經過接收機的處理，已經達到最好的精度，如果需要考慮，可以重新選擇精度高的GPS模塊。

由于GPS的導航衛星信號容易受到外部干擾或屏蔽問題，當GPS芯片收星能力不足時，如當車輛行駛在城市高樓區、地下隧道內、立交橋下時，由于衛星信號受到遮擋而容易暫時“丟失”，而使GPS接收機此時無法給出定位解或定位精度很差。即產生周調，從而失去定位能力。而如果收訊能力過強的話也有副作用，因為衛星發射的GPS信號本身就是電磁波，在地形復雜的環境比如高樓林立的城市中容易發生發射而產生雜波，這些信號會對GPS定位產生不利的干擾，從而產生漂移現象。GPS模塊本身的動態濾波系統無法消除這些粗差的影響。目前，關于粗差的有效辨識和剔除，人們在理論上建立了一些具有針對性的實用方法，如抗差Kalman濾波法、自適應濾波法以及粗差探測修復法等。在算法研究上需要解決幾個問題：

①確定對GPS數據施加算法的環節和時機；

②確定判定GPS漂移數據的標準；

③確定矯正GPS漂移數據的方法。如下給出了一種實用的矯正的算法：空間距離原則。

GPS模塊可以從衛星接收到三種數據：目標速率v、目標位置p、目前時間t。因此，GPS接收模塊在固定時間間隔內所移動的距離D=vt，考慮移動目標的實際情況，在時間間隔t內兩點間的距離d應該限制在一定范圍內，超過了這個范圍就認定GPS接收到的數據為周調數據，就應該對其舍去或處理。D和d的比值應該限定在1附近，如果比值超過1一定限度，就有理由確定GPS數據是一個粗差，應予以校正。在使用前面兩種GPS數據判定方法后，對斷定為奇異點的GPS數據，可以使用3種方法進行平滑處理：

①當gps取回的速度小于一定值時（由于我們是車載，所以我定義的是2公里/小時），則認為靜止，將此時所取到的gps值全部舍棄掉。

②對于前一秒速度小于2，后一秒速度也小于2的情況，當前秒無論速度為多少都認為是靜止。

③校驗當前秒和前次坐標的距離，如果超過常識距離則丟棄當前點。

基于上述方法列出了如下針對速度的處理函數：

intfilter_spd(filter_type*p,intspd,char*lat,char*lot)

{staticu8power_first=20;

staticintspdacc=0,i,spd_tmp=0,ttt=0;

ttt=spd-spdacc;

if(spd>spdacc)

{if(spd-spdacc>600)

{spd=spdacc;}

else

{spdacc=spd;}}

else

{if(spdacc-spd>600)

{spd=spdacc;}

else

{spdacc=spd;}}

p->spd_filter_buf[p->spd_pt]=spd;

p->spd_pt++;

if(p->spd_pt>9)

{p->spd_pt=0;}

for(i=0;i<10;i++)

spd_tmp+=p->spd_filter_buf[i];

spd_tmp/=10;

if(power_first>0)

{power_first--;

if(power_first==0)

{memcpy(p->latitude,lat,4);

memcpy(p->longitude,lot,5);}

if(spd_tmp<400)

{memcpy(lat,p->latitude,4);

memcpy(lot,p->longitude,5);

return0;}

else

{memcpy(p->latitude,lat,4);

memcpy(p->longitude,lot,5);

returnspd_tmp;}}}

如下圖3圖4對比了直接采集的GPS數據和經過算法處理后的數據。

圖3未處理時GPS的漂移數據

圖4處理后的GPS數據

3.4數據傳輸程序設計

系統中所發送和接收的數據信息大部分都是在無線移動環境下得到的，通信的可靠性和穩定性是軟件設計極為重要的一部分，主要包括車載終端的GPRS模塊在線時數據通路的穩定性、掉線時GPRS能否快速連線。本系統選用的GPRS模塊內嵌了TCP/IP協議棧，處理器使用AT指令集，可方便與監控中心服務器建立TCP/IP或UDP/IP連接。因此，系統的軟件設計無需考慮鏈路層PPP控制腳本程序和網絡層TCP/UDP套接字程序的設計，降低了系統軟件設計的復雜度，提高了通訊的穩定性。為在車載設備終端和監控中心之間來建立數據傳輸通路，需要經歷以下兩個主要過程:

(1)GPRS初始化

圖4描述了模塊初始化登陸的過程，上電后，模塊首先進行硬件初始化設置，如配置數據的傳輸波特率，設置線路工作參數等。初始化完成之后GPRS模塊將打開SIM卡，并進行校驗SIM卡的操作，如判斷SIM卡是否被更換等。這一切完成后，GPRS模塊就進入就緒狀態，開始登錄網絡，與監控中心進行“握手”應答，這一部分就是軟件設計的主要。下圖5描述了GPRS模塊初始化登陸的過程。

圖5GPRS模塊初始化過程

(2)GPRS建立數據鏈路

模塊登錄GPRS網絡成功后獲到一個動態分配的IP地址，開始準備接收監控中心發送的帶監控中心服務器IP地址的短信。一旦得到服務器IP地址，先創建socket進行連接，連接成功后給監控中心發送帶己方IP地址的短信，并開始等待接收啟動命令標志頭。如果在預定的等待時間內沒有收到監控中心發送的啟動命令，則說明監控中心此時沒有收取到車載終端的IP地址，則發送第二條帶終端IP地址的短信給服務端，重復以上過程三次后結束。“握手”應答成功以后，車載終端與監控中心的數據鏈路建立，即可進行數據的可靠傳輸。

3.5系統控制程序的架構

系統控制程序將進行GPRS數據的收發、GPS定位數據和指紋數據的采集、數據處理、其它消息響應處理以及用戶交互等。在系統控制中每個任務都需要限定其優先級及任務切換。圖6描述了任務間的關系及切換，系統控制程序首先判斷GPRS是否在線，若不在線，則執行登陸GPRS任務，若在線，則判斷是否有數據要發送，若有，則執行數據發送任務；反之，接下去判斷是否收到響應信息。若無，則任務切換到空閑任務等待響應各種信號量和郵箱消息，否則接收響應信息，進行信息解讀，并根據解讀到的信息做出相應處理和響應。

圖6系統任務關系

4監控中心軟件設計

監控中心實際上是一臺具有公網IP地址的網絡服務器，通過編寫監控系統軟件(主要由Web電子地圖數據庫、車輛信息管理數據庫等組成)，監控中心將實時接收終端通過無線通信模塊發送來的導航數據，并進行解析和存儲，將所有車輛的位置和運動狀態都顯示在電子地圖上，并針對不同的情況進行處理。監控中心客戶端進行實時監視和操控車載終端，就要求GIS運行效率高，傳輸安全可靠，并具有豐富的地圖操作能力，因此，傳統的GIS技術開發將難以勝任。基于GoogleMapsAPI的WebGIS可以妥善的解決這一問題，它基于IIS對象平臺，具有標準接口，允許跨語言應用。在此基礎上開發的應用系統可被視為相互協同工作對象的集合，可以進行許多功能的自定義。本系統使用Microsoft公司的visualstudio作為WebGIS開發平臺，通過腳本命令調用地圖API使用GIS組件庫和工具庫，創建新的或擴展已有的WebService應用程序，能夠很方便地將GIS功能嵌入到已有的應用系統中，利于定制實用的用戶界面。監控中心也可采用WebGIS技術的C/S或B/S構架，監控中心和數據服務器可以處于不同的物理位置。利用.NET技術的網絡服務通過本地的監控中心訪問數據服務器，以獲取數據信息發送命令。

圖7監控軟件界面圖

5結論

本車輛導航監控系統綜合運用了GPS衛星定位技術、WebGIS技術和GPRS通用無線分組技術，將三者結合應用在車載導航和監控調度中，充分發揮了GPRS數據傳輸的優勢，其具有傳輸速率高，誤碼率低，延時小，實時性強等顯著特點。本系統適用于各類車輛管理系統，如公交車輛管理、出租車管理、駕校車輛管理、車隊車輛等等。